統合ネットワークによる遺伝子機能予測モデルの高精度かつ持続的な構築法の開発

• 研究課題/領域番号: 17K07663
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 園芸科学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 福島 敦史 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 研究員 (80415281)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2019年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: バイオインフォマティクス / 園芸ゲノム科学 / 園芸ゲノム科学・バイオインフォマティクス

研究成果の概要

本研究課題では、遺伝―環境相互作用の解明とその植物生理を深く理解するため、様々な分子群に関するオミックスデータおよび知識の統合を試みた。主な成果として（１）統合すべきオミックスデータの評価と、より高い信頼性のある遺伝子機能予測法の開発を進めた。（２）遺伝子間の関連性推定には、ピアソン相関のみならず、相互情報量に基づく統計量を利用した複雑な遺伝子制御ネットワークの推定を検討した。（３）遺伝子―遺伝子間の機能的関連性を定量化・予測するためのネットワークモデル構築法の一部としてdifferential regulation analysisにより転写因子等の制御因子予測を行うことを可能とした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

断続的に産出されるオミックスデータに対応し、遺伝子機能予測モデルの構築を“持続的に”行うことができる統計モデルは、利用可能なオミックスデータが増えるに従って、予測精度の改善が見込まれる。このため、持続的にその構築を行うソフトウェア実装が重要となる。植物の持つ環境応答の頑健さと柔軟さとを理解するため、生理機能の背後にある遺伝子ネットワークの特性解明に大きく寄与する。本研究課題の遺伝子機能予測モデルおよび解析手法は、将来的に総合的な「環境適応型植物設計システム」の重要なモジュールの一つとなりうる(新技術の創製)。

研究成果

• [雑誌論文] Cytosolic GLUTAMINE SYNTHETASE1;1 Modulates Metabolism and Chloroplast Development in Roots (2020)
  • 著者名/発表者名: Kusano Miyako、Fukushima Atsushi、Tabuchi-Kobayashi Mayumi、Funayama Kazuhiro、Kojima Soichi、Maruyama Kyonoshin、Yamamoto Yoshiharu Y.、Nishizawa Tomoko、Kobayashi Makoto、Wakazaki Mayumi、Sato Mayuko、Toyooka Kiminori、Osanai-Kondo Kumiko、Utsumi Yoshinori、Seki Motoaki、Fukai Chihaya、Saito Kazuki、Yamaya Tomoyuki
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 182 号: 4 ページ: 1894-1909
  • DOI: 10.1104/pp.19.01118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolite and Phytohormone Profiling Illustrates Metabolic Reprogramming as an Escape Strategy of Deepwater Rice during Partially Submerged Stress (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukushima Atsushi、Kuroha Takeshi、Nagai Keisuke、Hattori Yoko、Kobayashi Makoto、Nishizawa Tomoko、Kojima Mikiko、Utsumi Yoshinori、Oikawa Akira、Seki Motoaki、Sakakibara Hitoshi、Saito Kazuki、Ashikari Motoyuki、Kusano Miyako
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 10 号: 2 ページ: 68-68
  • DOI: 10.3390/metabo10020068
  • NAID: 120007132876
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] BioHackathon 2015: Semantics of data for life sciences and reproducible research., (2020)
  • 著者名/発表者名: Vos, Katayama, Mishima et. al
  • 雑誌名: F1000Reseaech 巻: - ページ: 136-136
  • DOI: 10.12688/f1000research.18236.1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comparative co-expression network analysis extracts the <i>SlHSP70</i> gene affecting to shoot elongation of tomato (2019)
  • 著者名/発表者名: Vu Nam Tuan、Kamiya Ken、Fukushima Atsushi、Hao Shuhei、Ning Wang、Ariizumi Tohru、Ezura Hiroshi、Kusano Miyako
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 36 号: 3 ページ: 143-153
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.19.0603a
  • NAID: 130007724757
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2019-09-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] メタボロームデータ解析および解釈に資する可視化手法 (2019)
  • 著者名/発表者名: 神谷 健、草野 都、福島 敦史
  • 雑誌名: 日本化学会情報化学部会誌 巻: 37 号: 3 ページ: 72
  • DOI: 10.11546/cicsj.37.72
  • NAID: 130007753679
  • ISSN: 0913-3747, 1347-2283
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 量子化学計算による植物が生産するUV-B防御物質の物性値予測 (2019)
  • 著者名/発表者名: KUWAHATA Kazuaki、SAKUMA Yui、KAWASHIMA Yukio、FUKUSHIMA Atsushi、NAGASHIMA Umpei、KUSANO Miyako、TACHIKAWA Masanori
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 18 号: 2 ページ: 108-114
  • DOI: 10.2477/jccj.2019-0002
  • NAID: 130007684613
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Systems Analysis With “Simplified Source-Sink Model” Reveals Metabolic Reprogramming in a Pair of Source-to-Sink Organs During Early Fruit Development in Tomato by LED Light Treatments (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fukushima, Shoko Hikosaka, Makoto Kobayashi, Tomoko Nishizawa, Kazuki Saito, Eiji Goto, Miyako Kusano
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 9 ページ: 1439-1439
  • DOI: 10.3389/fpls.2018.01439
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Third DWF1 paralog in Solanaceae, sterol Δ24-isomerase, branches withanolide biosynthesis from the general phytosterol pathway (2018)
  • 著者名/発表者名: Eva Knoch, Satoko Sugawara, Tetsuya Mori, Christian Poulsen, Atsushi Fukushima, Jesper Harholt, Yoshinori Fujimoto, Naoyuki Umemoto, Kazuki Saito
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 115 号: 34
  • DOI: 10.1073/pnas.1807482115
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] HEAT INDUCIBLE LIPASE1 Remodels Chloroplastic Monogalactosyldiacylglycerol by Liberating α-Linolenic Acid in Arabidopsis Leaves under Heat Stress (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Higashi, Yozo Okazaki, Kouji Takano, Fumiyoshi Myouga, Kazuo Shinozaki, Eva Knoch, Atsushi Fukushima, Kazuki Saito
  • 雑誌名: Plant Cell 巻: 30 号: 8 ページ: 1887-1905
  • DOI: 10.1105/tpc.18.00347
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High Impact Gene Discovery: Simple Strand-Specific mRNA Library Construction and Differential Regulatory Analysis Based on Gene Co-Expression Network (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasunori Ichihashi, Atsushi Fukushima, Arisa Shibata, Ken Shirasu
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1830 ページ: 163-189
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-8657-6_11
  • ISBN: 9781493986569, 9781493986576
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolic Reprogramming in Leaf Lettuce Grown Under Different Light Quality and Intensity Conditions Using Narrow-Band LEDs (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuyoshi Kitazaki, Atsushi Fukushima, Ryo Nakabayashi, Yozo Okazaki, Makoto Kobayashi, Tetsuya Mori, Tomoko Nishizawa, Sebastian Reyes-Chin-Wo, Richard W. Michelmore, Kazuki Saito, Kazuhiro Shoji, Miyako Kusano
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 印刷中
  • NAID: 120007134064
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High Impact Gene Discovery: Simple Strand Specific mRNA Library Construction and Differential Regulatory Analysis Based on Gene Co-expression Network (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasunori Ichihashi, Atsushi Fukushima, Arisa Shibata, Ken Shirasu
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 印刷中
• [雑誌論文] eQTLs Regulating Transcript Variations Associated with Rapid Internode Elongation in Deepwater Rice (2017)
  • 著者名/発表者名: 1.Takeshi Kuroha, Keisuke Nagai, Yusuke Kurokawa, Yoshiaki Nagamura, Miyako Kusano, Hideshi Yasui, Motoyuki Ashikari, Atsushi Fukushima
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 8 ページ: 1753-1753
  • DOI: 10.3389/fpls.2017.01753
  • NAID: 120007134740
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Acetate-mediated novel survival strategy against drought in plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Kim JM, To TK, Matsui A, Tanoi K, Kobayashi NI, Matsuda F, Habu Y, Ogawa D, Sakamoto T, Matsunaga S, Bashir K, Rasheed S, Ando M, Takeda H, Kawaura K, Kusano M, Fukushima A, Endo TA, Kuromori T, Ishida J, Morosawa T, Tanaka M, Torii C, Takebayashi Y, Sakakibara H, Ogihara Y, Saito K, Shinozaki K, Devoto A, Seki M
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 3 号: 7 ページ: 17097-17097
  • DOI: 10.1038/nplants.2017.97
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Combined Low Glutathione with Mild Oxidative and Low Phosphorus Stress on the Metabolism of Arabidopsis thaliana (2017)
  • 著者名/発表者名: 3.Atsushi Fukushima, Mami Iwasa, Ryo Nakabayashi, Makoto Kobayashi, Tomoko Nishizawa, Yozo Okazaki, Kazuki Saito, Miyako Kusano
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 8 ページ: 1464-1464
  • DOI: 10.3389/fpls.2017.01464
  • NAID: 120007134052
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ディファレンシャルネットワークに基づく遺伝子機能予測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 福島敦史
  • 学会等名: 第37回日本植物細胞分子生物学会（京都）大会
• [学会発表] 福島 敦史 (2019)
  • 著者名/発表者名: 質量分析を用いた植物メタボロミクスデータの情報解析と共有
  • 学会等名: 質量分析インフォマティクス研究会・第4回ワークショップ（2019年）
  • 招待講演
• [学会発表] MSEAp: Development of a metabolite set enrichment analysis toolkit for plant metabolomics community (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fukushima and Kozo Nishida
  • 学会等名: 第36回日本植物細胞分子生物学会（金沢）大会
• [学会発表] 植物メタボロームデータの再解析・アノテーション高度化に向けた情報基盤整備 (2018)
  • 著者名/発表者名: 福島 敦史, 津川裕司, 高橋みき子, 小林紀郎
  • 学会等名: 第12回メタボロームシンポジウム
• [学会発表] RIKEN Plant Metabolome MetaDatabase: An integrated plant metabolome data repository based on the semantic web (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fukushima, Mikiko Takahashi, Nozomu Sakurai, Toshiaki Tokimatsu, Hideki Nagasaki, Hideki Hirakawa, Takeshi Ara, Masanori Arita, Norio Kobayashi
  • 学会等名: SWAT4HCLS 2018
  • 国際学会
• [備考] 植物の高温耐性に寄与するリパーゼ遺伝子を発見
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180706_2/
• [備考] アシュワガンダ薬用成分の生合成遺伝子を発見
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180807_1/